Фролов В.Т. Руководство к лабораторным занятиям по петрографии осадочных пород

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА III

ИЗУЧЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

КЛАССИФИКАЦИЯ

Глинистые породы наиболее распространены: на их долю

приходится свыше 50% всех осадочных пород (по другим

данным — до 70—75%). Уже этим в значительной мере опре-

деляется их большое значение в строительстве и как геоло-

гической среды, в условиях которой происходит образование

почвы, также в значительной части состоящей из глинистого

вещества. Глинистые породы являются сырьем для произ-

водства строительных материалов: кирпича, черепицы и т. д.,

а также для производства огнеупоров; многие глины исполь-

зуются как поглотители и адсорбенты, служат для приготов-

ления глинистых растворов, необходимых при бурении; гли-

ны концентрируют редкие, рассеянные и радиоактивные эле-

менты, которые добываются из них. Теоретическое значение

глинистых пород определяется тем, что они служат хорошим,

чутким показателем геохимических условий их образования

и поэтому используются для восстановления последних; кро-

ме того, многие глинистые толщи являются нефтематерин-

скими и, следовательно, без изучения их невозможно понять

происхождение нефти.

Глинистыми называются породы, которые более чем на-

половину слагаются глинистыми минералами. Все основные

свойства глинистых пород обусловливаются их минералоги-

ческим составом, и поэтому они должны подразделяться

прежде всего по этому свойству. Поскольку разные мине-

ралы глин образуются чаще всего в различных условиях, вы-

180

http://jurassic.ru/

деленные минералогические типы глин будут в определен-

ной мере отражать и их генезис.

Классификация глинистых минералов, лежащих в основе

классификации глинистых пород, вырабатывается в самое

последнее время. В Советском Союзе наибольшее распро-

странение получила классификация Грима (1956). Глинистые

минералы он подразделяет по типу их кристаллической струк-

туры, изучающейся рентгеноструктурным анализом и, в по-

следнее время, — электронографически, а также по кристал-

личности, форме кристаллов, наблюдаемой в электронном

микроскопе, и химическому составу. Эта классификация была

дополнена и уточнена М. Ф. Викуловой (1957). С неболь-

шими сокращениями она приведена в табл. 16.

Все глинистые минералы принято делить на две большие

группы: аморфные и кристаллические. Первые из них играют

незначительную роль в строении глинистых пород; встреча-

ются они сравнительно редко, в небольших количествах и

пока еще слабо изучены. Несколько лучше известны алло-

фаны — водные силикаты алюминия различных окрасок, ко-

торые встречаются в виде порошкообразных или стеклова-

тых масс в коре выветривания и в почвах вместе с каолини-

том и галлуазитом.

Господствующие в глинистых породах минералы подраз-

деляются по типу структур на две неравноценные группы:

слоистые и резко'подчиненные поясные, структура которых

полностью еще не расшифрована. Многие исследователи

оспаривают их поясной тип структуры, уподобляемый амфи-

боловой структуре, и считают, что минералы группы палы-

горскита также имеют листоватую структуру при волокни-

стом габитусе кристаллов. Однако до получения более убе-

дительных данных их все же рассматривают отдельно, как

минералы с условно поясной структурой.

Основные, слоистые, глинистые минералы по кристалли-

ческой структуре делятся на четыре класса; из них первые

два объединяют минералы с двух- или трехэтажным типом

строения слоев, а два последние — минералы с разнотипны-

ми слоями, чередующимися друг с другом. В основе строе-

ния атомных решеток всех этих минералов лежат два

структурных элемента — кремнекислородные (обычно с гид-

роксильной группой) тетраэдры и алюминиево-гидроксиль-

ные (обычно с атомами кислорода) октаэдры, в которых

атомы алюминия часто замещаются атомами магния или же-

леза. Тетраэдры и октаэдры группируются в слои, т. е. обра-

зуют соответственно тетраэдрические и октаэдрические слои,

181

http://jurassic.ru/

Таблица 16

Классификация глинистых минералов

Типы, классы, группы Минералы

Аморфные

Группа аллофана . . . аллофан

Кристаллические

А, Слоистые

I. Двухэтажные

Группа каолинита . . . каолинит

диккит

накрит

II.

Трехэтажные

галлуазит

II.

Трехэтажные

а) с разбухающей решеткой

Группа монтмориллони-

монтмориллонит

нонтронит

сапонит

Группа вермикулита . . гекторит и др.

б) с неразбухающей или вермикулит

частично разбухающей

решеткой

Группа гидрослюд . . . гидромусковит

глауконит

гидробиотит

III.

Смешанно-слоистые минералы-срост-

двух-трехэтажные . .

ки:

6. Группа монотермита . .

монотермиты

Группа бейделлита .' . бейделлиты

IV. Смешанно-слоистые

правильные одно-трех-

этажные

8. Группа хлорита .... хлориты

Б.

Поясные (?)

9. Группа палыгорскита . . палыгорскит

сепиолит и др.

или этажи, в строении элементарных слоев глинистых мине-

ралов. Двухэтажные слои каолинита состоят из одного тетра-

эдрического и одного октаэдрического слоя (этажа), а трех-

этажные слои монтмориллонита и гидрослюд — из двух тетра-

эдрических и заключенного между ними октаэдрического

слоя.

Более детальная классификация минералов с трехэтаж-

ным типом структуры основывается на физических и хими-

ческих их особенностях, что наглядно выражается в способ-

182

http://jurassic.ru/

ности одних минералов набухать в воде. По этому признаку

выделяются минералы с набухающей решеткой (группы

монтмориллонита и вермикулита) и минералы, не имеющие

этого свойства (гидрослюды). У первых связи между слоями

очень слабые, что выражается в их хорошей спайности и спо-

собности поглощать значительное количество воды, катионы

и органические соединения. Вследствие этого расширение ре-

шетки может быть значительным (почти в три раза) и за-

канчиваться полным разобщением слоев. У вермикулитов

расширение решетки менее значительное, что можно объяс-

нить большими размерами частиц вермикулитовых слоев,

лучшей упорядоченностью слоев и иными межслоевыми ка-

тионами— Mg

+ и, в небольшой мере, Са

, Ва

+, Li+, К

+ вместо Na+, отчасти Са

+ и Н+, характерных для монт-

мориллонитов. Большая способность разбухающих минералов

к поглощению катионов объясняется электрической неуравно-

вешенностью их структуры, вызывающейся частыми изоморф-

ными неравновалентными замещениями Si

+ на А1

+; А1

на Mg

+ и т. д., как в октаэдрических, так и в тетраэдриче-

ских позициях. Это вызывает отрицательный заряд решетки

в целом, который и уравновешивается поглощаемыми катио-

нами, в значительной мере обменными.

Минералы с неразбухающей решеткой (гидрослюды) от-

личаются от разбухающих прочной связью слоев катионами

, отчасти — Са

, Mg

+, Na+, Н+, которые не являются об-

менными. Они полностью уравновешивают отрицательный

заряд слоев, который выше, чем у разбухающих минералов,

и вызван замещением Si

на А1

+. Полярные ионы (напри-

мер,

вода) не могут проникать между слоями и вызывать

расширение решетки.

Дальнейшее подразделение рассмотренных групп мине-

ралов и выделение минералогических видов основано на от-

личиях в их химическом составе, происходящих вследствие

широко распространенных замещений Si

в тетраэдриче-

ских и особенно А1

а+

в октаэдрических позициях. Это влечет

за собой изменение формы, цвета, преломления и других

свойств. Так, при замещении (почти полном) в октаэдриче-

ской сетке монтмориллонита А1

+ на Mg

образуется сапо-

нит, при замещении на Fe

— нонтронит, на Zn

+ — саконит

и т. д. В гидрослюдах аналогичное замещение ионами Mg

+ (или Fe

) дает биотитовые минералы, а ионами Fe

+ и отчасти Mg

+ — глауконит. Поскольку радиусы ионов

+ и Fe

из-за своих больших размеров строго не соот-

ветствуют решетке монтмориллонита, последняя подвергает-

183

http://jurassic.ru/

ся при значительном замещении направленным напряжени-

ям,

что проявляется в удлиненной форме кристалликов.

Следует отметить, что двуслойная решетка каолинита,

в отличие от рассмотренных, асимметрична, и это делает

связь с соседними слоями прочной. Поэтому в ряде случаев

кристаллы каолинита достигают значительных размеров.

Каолинит

II I {

Монтмориллонит Гидрослюда

• Переходные

• —смешанно- - —

слоистые

-е—

образования—

Рис.

27. Преобразования глинистых минералов и об-

разование смешанно-слоистых структур (по Зхусу):

/, 2 — тетраэдрическая и октаэдрическая сетки; 3,

4 — двух- и трехэтажные слои; 5,6 — преимущест-

венные направления изменений в кислой (5) и ще-

лочной (6") среде

Смешанно-слоистые минералы с двух-, трехэтажными ти-

пами структур, как это отчетливо показано И. Д. Зхусом

(1958),

занимают промежуточное положение между минера-

лами с двух- и трехэтажными типами структур и являются

промежуточными стадиями их преобразования (рис. 27).

Они представляют собой минералы-сростки, в которых трех-

этажные слои гидрослюдистого или монтмориллонитового

типов чередуются с двухэтажными каолинитовыми. В резуль-

тате этого соответственно образуются минералы групп моно-

термита и бейделлита (по Викуловой), обладающие свой-

ствами, переходными между конечными членами рядов гид-

рослюда—каолинит и монтмориллонит—каолинит. Количест-

во трех- и двухэтажных слоев в структуре этих минералов

184

http://jurassic.ru/

не является постоянным, зависит от стадии преобразования

минералов и может меняться, по-видимому, в самых широ-

ких пределах.

Другой класс смешанно-слоистых минералов — хлориты —

в противоположность монотермитам и бейделлитам, отли-

чается правильностью, равномерностью чередования слоев, ко-

торые представлены одноэтажными октаэдрическими слоями

типа брусита и трехэтажными слюдоподобными слоями, свя-

занными между собой довольно прочно. Многочисленные

разновидности хлоритов отличаются составом и характером,

в частности упорядоченностью положения хлоритовых слоев.

Степень последнего и большая гидратация отличает мелко-

чешуйчатые хлориты (глинистые минералы) от хорошо окри-

сталлизованных.

Использование минералогического состава для классифи-

кации глинистых пород представляет большие трудности, по-

скольку глинистые минералы обладают весьма сходными

свойствами, различаются нерезко, связаны друг с другом

постепенными переходами вследствие взаимопревращений

одних минералов в другие и из-за широко распространенных

в них явлений замещения атомов, что чаще всего и приводит

к обособлению минералов, имеющих в основе один тип строе-

ния решетки. Выше приводились примеры постепенного пере-

хода между основными глинистыми минералами: каолинитом

и гидрослюдами через монотермиты, каолинитом и монтмо-

риллонитами через бейделлиты. Такой же постепенный пере-

ход существует и между гидрослюдами и монтмориллони-

тами; промежуточные минералы называются монтморилло-

нитизированными гидрослюдами и гидрослюдизированными

монтмориллонитами.

Превращения одних глинистых минералов в другие про-

текают при изменении условий медленно, вследствие чего мы

можем встретиться с этим материалом на разной стадии про-

цесса преобразования и, следовательно, с разным соотноше-

нием исходного и конечного продуктов. Кроме того, при пере-

отложении и переносе глинистые минералы дополнительно

перемешиваются, и состав глинистых пород еще больше

усложняется. Поэтому чаще всего приходится иметь дело

с ассоциациями глинистых минералов, то более, то менее

сложными, т. е. с полимиктовыми глинами, и в относительно

редких случаях (чаще всего в коре выветривания) — с моно-

минеральными породами.

Ассоциации глинистых минералов условно можно подраз-

делить на две группы — на относительно простые и законо-

185

http://jurassic.ru/

мерные и более сложные, менее закономерные. К первым,

как правило, относятся биминеральные глины, в которых оба

минерала связаны взаимопревращениями (например, каоли-

нит-монотермитовая, гидрослюдисто-монотермитовая, бей-

деллит-монтмориллонитовая, монтмориллонит-гидрослюди-

стая и др.), а ко вторым — более смешанные полимиктовые

глины (например, каолинит-гидрослюдисто-монтмориллони-

товые, гидрослюдисто-хлоритовые и т. д.). При резком пре-

обладании одного минерала эти породы следует относить

уже к олигомиктовым, крайними членами которых являются

мономинеральные.

Таким образом, все глинистые породы по составу глини-

стых минералов можно подразделить на три группы: моно-

минеральные, олигомиктовые и полимиктовые. В пределах

этих групп выделяются минералогические типы, главнейшие

из которых приведены в табл. 17.

Таблица 17

Минералогическая классификация глинистых

пород

Мономинераль-

ные

Олигомик-

товые

Полимиктовые

Каолинитовые каолинит-монотермитовые

Гидрослюдистые каолинит-гидрослюдистые

Монтмориллонитовые бейделлит-монтморилло-

нитовые

Палыгорскитовые бейделлит-гидрослюди-

Монотермитовые стые

Бейделлитовые монтмориллонит-гидро-

слюдистые

гидрослюдистые (гидро-

мусковит- гидробиотито-

вые,

глауконит-гидро-

мусковитовые и др.)

хлорито-гидрослюдистые

каолинит-хлорит-гидро-

слюдистые

Дальнейшее подразделение глинистых пород производит-

ся по степени их литифицированности, структурам и грану-

лометрическому составу, примесям неглинистых компонентов,

а также по огнеупорности и другим практическим свойствам.

По степени литифицированности они делятся на размокаю-

щие породы — глины и неразмокающие — аргиллиты. Эти

породы связаны постепенными переходами, и поэтому могут

быть выделены переходные типы — уплотненные глины, кото-

186

http://jurassic.ru/

рые размокают медленно (через сутки и более). Аргиллиты

(примером которых могут служить глинистые породы таври-

ческой серии Крыма) совсем потеряли эту способность в ре-

зультате эпигенетических процессов, а в некоторых случаях —

уже на стадии диагенеза (каолинитовые сухарные глины,

«кремневки», «флинт-клей»). Аргиллиты, как и глины, бы-

вают массивными, тонкоплитчатыми и листоватыми, кото-

рые иногда неудачно называют сланцами. Глинистые сланцы,

являющиеся уже метаморфическими породами, хотя и свя-

заны с аргиллитами постепенным переходом, все же отли-

чаются от них значительной перекристаллизацией глинистого

вещества (которое представлено относительно крупночешуй-

чатыми минералами—-серицитом, хлоритом, биотитом),

а также неглинистых минералов (кварца и др.) и развитием

сланцевой текстуры.

По структуре и гранулометрическому составу М. Ф. Вику-

лова предлагает выделять тонкодисперсные (мелкопелито-

вые),

состоящие в основном из частиц мельче 0,001 мм, и

крупнодисперсные (крупнопелитовые), в которых преобла-

дают частицы 0,01—0,001 мм. В первых при растирании в

пальцах, пробе на зуб или резании ножом не ощущается

примесь алевритовых и песчаных частиц, чем их можно от-

личать от крупнодисперсных при макроскопическом изучении.

Кроме того, при скатывании в сыром виде они дают длинные

шнуры толщиной менее 0,5 см, а крупнодисперсные — более

короткие и толстые. Далее при наличии обломочной примеси

выделяются глины алевритистые, алевритовые, песчанистые,

песчаные и разнозернистые. Последний термин неудачен, так

как по смыслу слова относится к глинистому веществу, а не

к примесям. Песчанистые и песчаные глины, как правило,

бывают одновременно и алевритовыми, т. е. песчанисто- или

песчано-алевритовыми (алевритистыми). Кроме того, выде-

ляются известковистые (известковые), кремнистые, углистые,

битуминозные глины при соответствующей примеси.

ПОРЯДОК ИЗУЧЕНИЯ

Сложный и изменчивый состав глинистых минералов, их

нерезкие различия и взаимопереходы, как и сложность со-

става глинистых пород в целом, микрозернистые и коллои-

дальные структуры делают их изучение (в особенности опре-

деление минералогического состава) наиболее трудным по

сравнению с другими породами. Так как обычные петрогра-

фические методы оказываются здесь недостаточными, прихо-

187

http://jurassic.ru/

дится широко использовать такие специальные и дорогие ме-

тоды, как химический, термический и рентгеноструктурный

анализы, а также разрабатывать и применять новые мето-

ды—окрашивание, изучение в электронных микроскопах,

электронографию и др. По сравнению с минералогией глин

ни один раздел литологии не имеет такое количество разно-

образных методов и методик. Однако среди них нет универ-

сального, которым можно было бы изучить минералогиче-

ский состав глин с необходимой определенностью. Глины

больше, чем другие породы, изучаются комплексно; данные

одних методов дополняют и корректируют результаты других.

Последовательность применения методов и сам объем их

определяются целями и задачами исследования, сложностью

объекта и имеющимися возможностями. В целом, однако,

общий порядок изучения осадочных (в частности, обломоч-

ных пород) сохраняется и при изучении глинистых пород.

Оно начинается с макроскопического описания, которое до-

полняется данными специальных исследований на размокае-

мость, а также часто и результатами окрашивания. Далее

целесообразно изучить глину в шлифах; это дает наиболее

полное и всестороннее представление о породе, позволяет

наметить глинистые минералы и примеси и в первом прибли-

жении определить их, а также выявляет те особенности по-

роды (известковистость, характер и количество обломочной

и органогенной примеси, микротекстуры и т. д.), которые

необходимо учитывать при исследовании другими методами.

Гранулометрический (механический) анализ лучше произво-

дить после изучения в шлифах, а другие исследования —

в иммерсионных препаратах, термический и химический ана-

лизы, изучение в электронном микроскопе, нередко и окра-

шивание, спектральный и люминесцентный анализы и др.

(Викулова, 1957, стр. 93, табл. 9 и стр. 94, табл. 10) — вслед

за гранулометрическим анализом, потому что последний ра-

зобщает породу на части — обломочные компоненты, фрак-

ции глинистого вещества, которые потом обычно и изучают.

Электронографией и рентгеноструктурным анализом закан-

чивается изучение минералогического состава глин.

Изучение в образце и макроскопическое описание

Хотя глинистые породы макроскопически изучают в це-

лом по общей схеме (см. стр. 10), все же имеется ряд отли-

чий, обусловленных особенностями глинистых пород и более

разнообразными задачами исследования.

188

http://jurassic.ru/

Прежде чем назвать породу глиной или аргиллитом, не-

обходимо исследовать на размокаемость. Для этого неболь-

шой кусок глины помещают в воду и следят за размока-

нием. Глины размокают сразу или спустя некоторое время

(минуты — десятки минут) они превращаются в пластич-

ную массу. Глины, размокающие в течение нескольких часов

или суток, относятся к уплотненным, нередко называемым

также аргиллитоподобными. Неразмокающую глину назы-

вают аргиллитом.

Окраски глин ;разнообразны; они важны для характери-

стики состава и условий образования и зависят как от со-

става глинистых минералов, так и от примесей и влажности.

При высыхании цвета тускнеют и бледнеют, и окраска сгла-

живается. Вот почему цвет необходимо определять и во влаж-

ном состоянии и обязательно это отмечать в описании. Боль-

шинство глинистых минералов белые, и поэтому чистые гли-

ны чаще всего тоже белые или светло-серые. Только глауко-

нитовые и хлоритовые глины всегда имеют зеленый или

темно-зеленый цвет. Реже они бывают также голубоватыми.

Зеленоватые и голубоватые окраски часто наблюдаются и

у нонтронитовых и бейделлитовых, а более светлые зеленые

и зеленовато-желтые — изредка у монтмориллонитовых. При-

меси ряда соединений даже в небольшом количестве сильно

меняют окраску глины: окислы железа окрашивают в жел-

тые,

красные и фиолетовые тона разной интенсивности, за-

кисные соединения — в сизые, зеленоватые и серые; окислы

марганца

•—

в бурый и черный цвет; битумы — в светлые па-

левые (при содержании в доли процента) или коричневые

тона; гуминовые соединения и углистый детрит обусловли-

вают серый и черный (при содержании 2—4%) цвет. Глины

нередко имеют неоднородную пятнистую окраску, зависящую

от неравномерного распределения красящих веществ (напри-

мер,

закисных и окисных соединений железа).

Структура чистых глинистых пород м-икрозернистая (раз-

мер частиц меньше 0,01 мм), что выражается в однородном

ровном или раковистом изломе и незернистом пелитоморф-

ном виде. Поскольку аморфные глины имеют такой же вид

и визуально не отличаются от микрозернистых, при характе-

ристике структуры этих типов более правильно говорить как

о пелитоморфных породах (их часто называют также тонко-

отмученными) и о пелитовой (пелитоморфной) структуре.

Однако глины часто оказываются гранулометрически неодно-

родными, плохоотмученными, т. е. содержат алевритовую или,

реже, песчаную примесь. Структура этих глин называется

189

http://jurassic.ru/